Un simulador cuántico programable de 256 qubit ha descubierto nuevas fases cuánticas

Sepehr Ebadi y col. / arXiv.org, 2020


Los físicos han implementado un simulador cuántico programable de 256 qubit basado en átomos neutros. Hizo posible simular un modelo de espín cuántico y descubrir nuevas transiciones de fase cuántica. Debido a la capacidad de controlar la interacción entre átomos, un mayor aumento en el sistema permitirá la implementación de algoritmos cuánticos en altas dimensiones. Preimpresión publicado sobre arXiv.org.

Los simuladores cuánticos en diferentes plataformas se adelantan unos a otros en términos de número de qubits y la capacidad de resolver varios problemas que están más allá del poder de una computadora típica. Plataformas en átomos neutros ya se han utilizado para modelar sistemas dinámicos cuánticos, crear entrelazamientos multidimensionales, operaciones de lógica cuántica paralelas y relojes atómicos. Sin embargo, crear un sistema controlado con una fuerte interacción de más de cien qubits sigue siendo un desafío incluso hoy.. Escribimos más sobre una computadora cuántica basada en átomos neutros en el material “Cincuenta y un qubits más”.

Un grupo de científicos dirigido por Mikhail D. Lukin de la Universidad de Harvard creó un simulador cuántico programable con un número configurable de qubits (hasta 256) e interacciones entre átomos para simular sistemas de espín cuántico. En comparación con trabajos anteriores en los que los investigadores usado una cadena unidimensional de 51 átomos, la nueva calculadora es una red bidimensional de átomos… El aumento en el número de qubits y la estructura atómica permite simular sistemas más complejos.

El diseño experimental se basa en Plataforma para crear cadenas unidimensionales de átomos neutros. Combinación de dos juegos pinzas ópticas, el primero de los cuales ubica los átomos en una celosía desordenada, y el segundo la ordena, permitió organizar diferentes tipos de celosías bidimensionales: en forma de tablero de ajedrez, panal y triángulos. Es importante que las distancias entre los átomos en tales redes sean diferentes; por lo tanto, la interacción entre átomos durante la excitación será diferente para diferentes tipos de redes. Cada átomo puede estar en un estado no excitado o muy excitado; estos estados corresponden a valores de cero y un qubit. Para transferir un átomo del estado fundamental a un átomo excitado, se usa una transición de dos fotones (por eso, en el diagrama de diseño, la red es irradiada por dos láseres diferentes en ambos lados). La capacidad de controlar cada qubit por separado no es suficiente para simular sistemas cuánticos o implementar algoritmos cuánticos en una computadora: los qubits tienen que interactuar entre sí. El papel clave en la interacción de los átomos neutros lo desempeña Bloqueo de Rydberg… excitando un átomo aumenta el radio de la órbita del electrón y cambia los niveles de energía de sus vecinos, por lo que resulta imposible excitarlos a la misma frecuencia.

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Los autores probaron el esquema experimental desarrollado para crear estados ordenados antiferromagnéticamente de alta precisión (estructura en forma de tablero de ajedrez). Verificaron la similitud de los estados obtenidos con los estados teóricos y registraron la dependencia de la frecuencia a la que se obtiene la estructura ideal de su tamaño.

Puede ver la transición de fase en el sistema a medida que cambian las condiciones externas. A diferencia del caso clásico, transiciones de fase cuántica controlando parámetros no térmicos, es decir, ocurren en ausencia de térmicas, pero en presencia de fluctuaciones cuánticas. El cambio de los parámetros externos en el simulador cuántico se logra desafinando la frecuencia de la radiación de excitación. Su suave transición de valores negativos correspondientes a un sistema ordenado a valores positivos permite observar la transición de fase del sistema. Los investigadores calcularon empíricamente el tiempo que tarda el proceso de transición de fase en adiabático.

La capacidad de controlar la relación entre el radio de un átomo después de la excitación y la distancia entre los átomos en la red ha permitido obtener y estudiar nuevas fases cuánticas. Además de la fase habitual de “tablero de ajedrez”, un aumento de esta relación conduce a la detección de una fase en forma de franja y en forma de estrella. Los nombres de fase están asociados con el mapeo de redes de Fourier. Los científicos han estudiado en detalle el comportamiento de los átomos, dependiendo de la presencia cercana de vecinos emocionados. Como era de esperar, un aumento en el número de vecinos excitados condujo a un aumento en la desafinación de frecuencia, necesaria para excitar un átomo.

Además de crear un simulador atómico con un número récord de qubits, el enfoque descrito para estudiar sistemas cuánticos complejos allana el camino para el estudio de fases cuánticas alienígenas y la implementación de algoritmos cuánticos.

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Las computadoras cuánticas en otras plataformas físicas han logrado resolver otros problemas. Por ejemplo, el procesador cuántico Sycamore de Google en superconductores superado clásico en la generación de cadenas de números aleatorios y la calculadora de fotones Reloj su superioridad en el problema del muestreo de bosones.

Oksana Borzenkova

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